Anàlisi de l'energia de transició màxima en circuits combinacionals CMOS

Abstract

En la dècada actual, l'augment del consum energètic dels circuits integrats està tenint un impacte cada vegada més important en el disseny electrònic. Segons l'informe de la Semiconductor Industry Association de l'any 1997, es preveu que aquest impacte serà encara major en la propera dècada. En la bibliografia existeixen diversos treballs on es relaciona un consumo energètic elevat amb la degradació de les prestacions i la fiabilitat del xip. Per aquesta raó, el consum energètic ha estat incorporat com a un altre paràmetre a tenir en compte en el disseny dels circuits integrats. Es coneix com a energia de transició l'energia consumida per un circuit combinacional CMOS quan es produeix un canvi en les seves entrades. Una energia de transició excessivament elevada pot afectar a la fiabilitat del xip a través dels anomenats hot spots, i de l'electromigració. Altres efectes com el ground bouncing i la signal integrity degradation poden repercutir en les prestacions del circuit. La minimització de les degradacions esmentades anteriorment requereixen de la caracterització de l'energia de transició màxima durant la fase de disseny. A tal efecte, en aquesta tesi es proposen dues metodologies que permeten l'estimació de l'energia de transició màxima en circuits combinacionals CMOS. Donat que l'estimació del nivell màxim exacte es inviable en circuits a partir de mides mitjanes, es proposa el càlcul de dues cotes, una d'inferior i una altra de superior, que delimiten un interval de localització de l'esmentat nivell màxim. La tesi està estructurada en els següents capítols. En el capítol 1 es fa una introducció al tema investigat en aquesta tesi i es presenten els treballs existents que el tracten. En el capítol 2 s'introdueixen els models d'estimació de l'energia de transició emprats més habitualment a nivell lògic, que és el nivell de disseny considerat en aquesta tesi. Aquests models assumeixen que l'únic mecanisme de consum és la commutació de les capacitats paràsites del circuit. En els capítols 3 i 4 es tracta l'estimació de l'energia de transició màxima. Aquesta estimació es realitza a partir del càlcul de dues cotes properes, una superior i una altre inferior, a aquesta energia màxima. En el capítol 5 es presenta l'anàlisi del comportament de l'activitat ponderada front als models de retard estàtics. Finalment, en el capítol 6 s'aborden les conclusions generals de la tesis i el treball futur.

El consumo energético de los circuitos integrados es un factor cuyo impacto en el diseño electrónico ha crecido significativamente en la década actual. Según el informe de la Semiconductor Industry Association del año 1997, se prevé que este impacto será aún mayor en la próxima década. En la bibliografía existen diversos trabajos donde se relaciona un consumo energético elevado con la degradación de las prestaciones y la fiabilidad del chip. Por esta razón, el consumo energético ha sido incorporado como otro parámetro a tener en cuenta en el diseño de los circuitos integrados. Se conoce como energía de transición la energía consumida por un circuito combinacional CMOS cuando se produce un cambio en las entradas del mismo. Una energía de transición excesivamente elevada puede afectar a la fiabilidad del chip a través de los hot spots, de la electromigración. Otros efectos como el ground bouncing y la signal integrity degradation pueden repercutir en las prestaciones del circuito. La minimización de las degradaciones mencionadas anteriormente requiere de la caracterización de la energía de transición máxima durante la fase de diseño. A este efecto, se propone en esta tesis dos metodologías que permiten la estimación de la energía de transición máxima en circuitos combinacionales CMOS. Dado que la estimación del nivel máximo exacto es inviable en circuitos a partir de tamaños medios, se propone el cálculo de dos cotas, una de inferior y otra de superior, que delimiten un intervalo de localización de dicho nivel máximo. La tesis está estructurada en los siguientes capítulos. En el capítulo 1 se presenta una introducción al tema investigado en esta tesis y se resumen los trabajos existentes más importantes. En el capítulo 2 se introducen los modelos de estimación de la energía de transición más comúnmente utilizados a nivel lógico, que es el nivel de diseño considerado en esta tesis. Estos modelos asumen que el único mecanismo de consumo es la conmutación de las capacidades parásitas del circuito. En los capítulos 3 y 4 se aborda la estimación de la energía de transición máxima. Esta estimación se realiza a partir del cálculo de dos cotas cercanas, una superior y una inferior, a esta energía máxima. En el capítulo 5 se presenta el análisis del comportamiento de la actividad ponderada frente a los modelos de retardo estáticos. Finalmente, en el capítulo 6 se presentan las conclusiones generales de la tesis y el trabajo futuro.

The importance of the energy consumption on the design of electronic circuits has increased significantly during the last decade. According to the report of the Semiconductor Industry Association, of 1997, the impact in the next decade will be even greater. In the bibliography several works exist relating to the high energy consumption with the degradation of the reliability and performance of the xip. For this reason, the energy consumption has been included as another parameter to take into account during the design of integrated circuits. It is known as transition energy, the energy consumed by a CMOS combinational circuit when its inputs change their value. Excessively high transition energy may affect the reliability of the chip through the generation of hot spots and electromigration. Other effects such as ground bouncing and signal integrity degradation may reduce the performance of the circuit. In order to minimize the previously detected bad effects it is useful to characterize the maximum transition energy, during the design phase. To this objective, this thesis presents two methodologies that allow for the estimation of the maximum transition energy in CMOS combinational circuits. Given that the estimation of the maximum level is only attainable for medium size circuits, it is proposed the calculation of bounds (higher and lower) delimiting the interval where the maximum level is located. The thesis is divided into the following chapters. In chapter 1 an introduction to the topic and a review of the previous works related to this research domain is given. In chapter 2 the models most extended for the estimation of the transition energy are presented. These models are mainly used at logic level which is the level assumed in this thesis. They assume that the switching of the parasitic capacitances is the only mechanism producing energy consumption. In chapters 3 and 4 the estimation of the maximum transition energy is considered. This estimation is made from the calculation of an upper and lower bound to this maximum transition energy. In chapter 5 the analysis of the switching activity is made for different static delay models. Finally, in chapter 6 the general conclusions of the thesis and future work are discussed.